Laserlõikamise põhimõte on süstemaatiline protsessiraamistik, mis on üles ehitatud optika, termodünaamika ja materjaliteaduse ristumiskohale. Selle tuumaks on materjalide täpne eemaldamine ja vormimine juhitava suure-energia-tihedusega laserkiire koosmõjul materjaliga. Selle põhimõtte rakendamine eeldab kolme mõõtme arvestamist: lasergenereerimine ja edastamine, energia interaktsiooni mehhanismid ja protsessiparameetrite sobitamine, mis moodustab tervikliku loogilise ahela "energiaallikast" kuni "töötlemise tulemuseni".
Laseri genereerimine on disaini lähtepunkt. Praegustes tööstuslikes rakendustes on kiudlaseritel, CO₂-laseritel ja pooljuhtlaseritel erinevad valgusvihu omadused, mis tulenevad võimendusmeediumite ja ergastusmeetodite erinevusest: kiudlaserid kasutavad võimenduskeskkonnana haruldast -muld-leegitud optilisi kiude ja saavutavad kõrge elektro-optilise muundamise efektiivsuse (kuni 30 pideva impulsi või pumba võimsuse, pideva impulsi või pumba abil). lähi--infrapunariba (ligikaudu 1070 nm) kiirtega, mille eelised on näiteks suurepärane kiire kvaliteet (M² 1 lähedal), kompaktne struktuur ja hooldusvaba töö{9}; CO₂ laserid kasutavad võimenduskeskkonnana CO₂ gaasisegu ja tekitavad eraldumise ergastusega kauge{10}}infrapunariba (10,6 μm) kiire, kuigi elektro-optiline efektiivsus on suhteliselt madal (ligikaudu 10%), kuid mitte{14}metallist plaatmaterjalide neeldumiskiirus on kõrgem ja paksusega; Tahkislaserid (nagu Nd:YAG) kasutavad võimendusmeediumina kristalle ja võivad genereerida lühi{16}}impulss- või ultralühi{17}}impulsslasereid, mis sobivad mikro{18}}töötlemise stsenaariumide jaoks. Laseri valik peab põhinema materjali lainepikkuse neeldumisomaduste (nt vasel ja alumiiniumil on kõrge peegeldusvõime 10,6 μm CO₂ laserite suhtes, mistõttu need sobivad kiudlaserite jaoks), vajalikul töötlemise paksusel ja täpsusel. See on "energiaallika kohanemisvõime" põhimõtte peamine teostus disainis.
Laserülekanne ja teravustamine on energia täpseks edastamiseks üliolulised. Laseri resonantsõõnsuse väljundkiirgus tuleb edastada töötlemispeale optiliste elementide, näiteks kollimeerivate peeglite ja peegeldavate peeglite kaudu. Seejärel koondab teravustamispeegel (tavaliselt kumer lääts) lahkneva kiire täpiks, mille läbimõõt on kümneid kuni sadu mikromeetreid. Seos punkti läbimõõdu (d), fookuskauguse (f) ja langeva kiire läbimõõdu (D) vahel järgib läätse kujutise valemit (d≈f·θ, kus θ on valgusvihu lahknemisnurk), määrates otseselt energiatiheduse (E=P/(πd²/4), kus P on laseri võimsus)-mida lihtsam on saavutada täpi suurus ja mida väiksem on energia tihedus, kõrge-täpne lõikamine. Disain eeldab fookuskauguse valimist lähtuvalt töötlemisalast ja täpsusnõuetest (lühikese fookuskauguse tulemuseks on väike teravustamiskoht, kuid madal fookussügavus, sobib õhukeste plaatide täppislõikamiseks; pikkadel fookuskaugustel on suur fookussügavus, sobib paksude plaatide stabiilseks töötlemiseks). Dünaamilise teravustamise tehnoloogiat (nagu fookuspunkti asukoha automaatne reguleerimine piki töötlemispea Z-telge, et järgida plaadi pinna lainetust) kasutatakse plaadi ebatasasusest tingitud energiasummumise kompenseerimiseks, tagades energia ühtluse tegevuspiirkonnas.
Energia ja materjali koostoimemehhanism määrab lõikamisprotsessi füüsilise olemuse. Kui laserkiir kiiritab materjali pinda, neeldub energia ja muundatakse soojuseks, mille tulemusel kohalik temperatuur tõuseb kiiresti sulamistemperatuurini või isegi keemistemperatuurini (enamiku metallmaterjalide sulamistemperatuur on üle 1000 kraadi ja keemistemperatuur võib ulatuda 3000 kraadini). Madala soojusjuhtivusega materjalide (nt roostevaba teras) puhul kontsentreeritakse soojus kohapeal, võimaldades kiiret sulamist; tugevalt peegeldavate materjalide (nagu alumiinium ja vask) puhul on vaja energia neeldumise suurendamiseks suurendada laseri võimsust või kasutada impulssrežiimi (läbib peegeldusläve tippvõimsusega). Sulametall puhutakse abigaasiga (hapnik, lämmastik või suruõhk) soonest eemale: hapnik reageerib rauaga eksotermiliselt (oksüdatsioon), pakkudes täiendavat lõikeenergiat, mis sobib kergesti oksüdeeruvate materjalide, näiteks süsinikterase, kiireks lõikamiseks; lämmastik inertgaasina eemaldab räbu, kasutades ainult kineetilist energiat, vältides oksüdeerumist ja andes tulemuseks kvaliteetse-värvi muutnud lõike, mis sobib kõrget pinnakvaliteeti nõudvate rakenduste jaoks, nagu roostevaba teras ja alumiiniumsulamid. Disain peab vastama abigaasi tüübile ja rõhule, lähtudes materjali soojusjuhtivusest, erisoojusmahtuvusest ja oksüdatsiooniomadustest. -liiga madal rõhk põhjustab räbu jääke, samas kui liiga kõrge rõhk võib põhjustada liiga laia lõhe või materjali kadu. Düüsi struktuuri ja õhuvoolu suuna optimeerimiseks, et tagada tõhus räbu eemaldamine ilma optilist rada segamata, on vaja arvulisi simulatsioone (nt gaasivooluvälja arvutuslik vedeliku dünaamika (CFD) analüüs).
Protsessi parameetrite kooskõlastatud kujundamine on stabiilse lõikamise saavutamise tuum. Laseri võimsus (P), lõikekiirus (v), impulsi sagedus (f) ja töötsükkel (η) peavad olema vastavuses: võimsus määrab kogu energiasisendi ajaühiku kohta, kiirus mõjutab energia kestust (energia pikkuseühiku kohta=E/v) ja mõlemad koos määravad, kas materjal on täielikult sulanud/aurustunud. Impulssrežiimis juhivad sagedus ja töötsükkel ühe-impulsi energiat (E_impulss=P × η/f) ja impulsi intervalli, et vältida pidevast kuumutamisest põhjustatud soojuse akumuleerumist (nt paksude plaatide lõikamisel võib madal sagedus ja kõrge töötsükkel vähendada soojustsooni-laiust). Disain peaks kasutama ortogonaalset eksperimentaalset disaini või masinõppe algoritme, et luua materjali{10}}paksuse{11}}parameetrite andmebaas. Näiteks 3 mm paksuse 304 roostevaba terase puhul võib parameetrite kombinatsiooni optimeerimine võimsusele 1200 W, kiirusele 2 m/min ja lämmastiku rõhule 0,8 MPa saavutada kõrge-kvaliteediga lõikamise ristlõike karedusega Ra, mis on väiksem või võrdne 12,5 μm.
Kokkuvõtteks võib öelda, et laserlõikamise põhimõte on "energiaallika karakteristikute, optilise tee ülekande, materjalide interaktsiooni ja parameetrite sobitamise" mitmemõõtmeline sünergia. Põhimõtteliselt muudab see abstraktse "valgusenergia" kontrollitavaks "töötlemisjõuks" laseri füüsikaliste omaduste ja materjali käitumise täpse juhtimise kaudu, saavutades lõpuks keerukate kontuuride tõhusa ja suure täpsusega{2}. Selle põhimõtte pidev areng (nt femtosekundilised/pikosekundilised impulsid ülikiiretes laserites termilise difusiooni mahasurumiseks ja reaalajas parameetrite optimeerimine intelligentsete algoritmide abil) laiendab pidevalt laserlõikamise rakenduspiire, muutes selle täiustatud tootmises asendamatuks põhitehnoloogiaks.
